上皮間葉轉化的研究進展

周庚寅,蔡永萍

山東大學醫學院病理學教研室濟南 250012

1 上皮間葉轉化的概念

上皮間葉轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是指與基底膜連接的具有極性的上皮細胞經過一系列的生物學改變,喪失細胞-細胞之間的連接,轉化為具有游走能力的間葉細胞[1]。1982年,Greenburg等[2]發現在三維立體膠原膠中培養的角膜上皮細胞可以轉化為具有遷移能力的間葉細胞,并首次提出了 EMT的概念。但是后來鑒于轉化后的間葉細胞也可逆轉為上皮細胞,即間葉上皮轉化(mesenchymal-epithelial transition,MET),同時transformation一詞易和腫瘤的惡性轉化(transformation)混淆,2003年第一屆EMT國際會議確定將transformation改為transition。

自從EMT的概念提出以來,這一領域獲得越來越多的關注。隨著研究的深入,發現EMT涉及生理情況如正常胚胎發育或病理狀態如器官纖維化和腫瘤轉移。為了便于研究,2007年在波蘭和隨后召開的EMT國際會議上依據EMT的發生背景、生物學行為及標志物的不同將 EMT分為 3種類型[3-4]:發生于胚胎植入、胚胎發生和器官形成時的EMT稱為Ⅰ型EMT;和組織再生及器官纖維化有關的EMT稱為Ⅱ型EMT;和腫瘤進展和轉移有關的EMT稱為Ⅲ型EMT。

2 EMT發生的分子機制及標志物

Ⅰ型EMT發生在胚胎尚未出現免疫反應時,可能與內在的程序編碼有關。發生于出生后的Ⅱ型和Ⅲ型EMT則不同,Ⅱ型EMT的發生可能與炎癥刺激和損傷有關,產生具有修復能力的纖維細胞,參與傷口愈合、組織再生或器官纖維化;Ⅲ型EMT的發生可能與上皮腫瘤細胞基因組和表觀遺傳學的改變以及周圍微環境的炎癥有關,產生更有侵襲力的腫瘤細胞亞克隆[5]。

EMT是受周圍微環境影響的多個信號途徑參與的復雜網絡調控過程,導致上皮細胞連接丟失、細胞極性喪失、細胞骨架蛋白的改變和細胞外基質的降解。研究[6]發現許多信號轉導途徑均參與了EMT的發生,包括轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、Wnt/β-catenin、表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)、纖維生長因子(fibroblastgrowth factor,FGF)、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、核細胞因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、胰島素樣生長因子(insulin-like growth factor,IGF)和血小板源性生長因子(platelet derived grow th factor,PDGF)等途徑。EMT的主要分子特征為上皮標記物E-鈣黏蛋白表達的下調和間葉細胞特征的核轉錄因子的上調(Snail、Slug和Twist)。

E-鈣黏蛋白的缺失是EMT的典型特征。E-鈣黏蛋白是一種鈣離子依賴的跨膜糖蛋白分子,其胞內區通過α-catenin、β-catenin蛋白與細胞骨架蛋白相連,此連接復合體再直接連接到肌動蛋白細胞骨架上,維持細胞間黏附的穩定性。E-鈣黏蛋白表達下調會導致同源細胞間黏附力下降,有利于細胞脫離。在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型EMT均發現E-鈣黏蛋白的表達降低或丟失[4]。β-catenin蛋白具有雙重作用,位于細胞膜時和β-catenin結合介導細胞之間的連接,進入細胞核內時和Tcf/Lef結合激活Wnt信號途徑。同E-鈣黏蛋白類似,細胞膜β-catenin的丟失,與3型EMT的發生均有關[7-8]。

核轉錄因子Snail、Slug和Twist是在胚胎發育時胚胎原腸中胚層形成時發現的,中胚層發育過程具有典型的 EMT特征。已證實這些轉錄因子是EMT發生過程的重要調控因素,它們通過與E-鈣黏蛋白的E-box結合,下調E-鈣黏蛋白的表達。隨后的研究發現這些核轉錄因子在器官發生纖維化時高表達,同時與多種腫瘤類型的浸潤轉移有關,提示患者的臨床預后不良[9-11]。

3 EMT研究領域的新方向

近來研究發現血管內皮細胞也可發生間葉轉化,即內皮間葉轉化(endothelialmesenchymal transition,EndoMT)。另外,EMT與MicroRNA、EMT與腫瘤干細胞、EMT與腫瘤轉移灶及EMT與MET的關系是近來的研究熱點。

3.1 EndoMT 血管內皮細胞通過間葉轉化成為能夠分泌膠原的成纖維細胞,參與纖維化的形成,即EndoMT。在胚胎發育時,EndoMT參與心內墊和心臟瓣膜的形成[12]。在小鼠實驗模型[13]中,心肌受到損傷后,心肌內膜和微血管的內皮細胞通過 EndoMT轉化為纖維細胞參與心肌纖維的形成。在腎臟、肺臟、心臟和肝臟的動物模型[14]發現實質器官內的血管內皮細胞受到慢性損傷后可以通過EMT轉化為能夠分泌膠原的成纖維細胞,參與器官纖維化的形成。

3.2 EMT與M icroRNA 近來有研究表明MicroRNA也是EMT的重要調節因素。MicroRNAs是一類大約22個核苷酸的非編碼RNA,通過轉錄后調控基因的表達。Gregory等[15]發現抑制miR-200和miR-205能夠下調E-鈣黏蛋白的表達而維持間葉細胞的狀態,同時發現乳癌組織中 miR-200的丟失與波形蛋白(Vimentin)的表達增多和E-鈣黏蛋白的丟失相關。在具有高度轉移潛能的乳癌細胞及臨床轉移乳癌標本中miR-10b表達增高,它通過抑制同源異型盒基因D10(HOXD10)而上調促轉移因子ras家族同源成員C(RHOC)的表達,促進腫瘤細胞的轉移,在動物模型[16-17]中 miR-10b的抑制劑能夠抑制乳癌細胞的肺轉移率。

3.3 EM T與腫瘤干細胞 腫瘤干細胞是指腫瘤組織中存在的一小群未分化或分化較差的細胞,它們既具有自我更新和增殖分化的能力,又能夠抵抗化學治療和放射治療,是腫瘤形成、發展與惡化的根源。研究[18]發現 EMT轉化后的細胞具有干細胞樣性質,Weinberg實驗室研究發現分離的CD44高表達/CD24低表達乳癌干細胞表現間葉細胞樣表型,誘導發生EMT的乳癌細胞表現出干細胞樣特性。腫瘤干細胞可能具有間葉細胞游走遷移的特性,又具有上皮樣細胞分化的潛能,在到達轉移灶之后能夠通過MET重新轉化為上皮性癌灶。

3.4 EM T與MET

EMT和MET呈現動態轉換的過程,胚胎發育時通過Ⅰ型EMT產生的間葉組織能夠通過MET重新轉化為上皮組織。腫瘤轉移時發生的MET可能與發生于胚胎時期的MET具有類似現象[5]。

腫瘤的遠處轉移是導致患者死亡的主要原因。雖然實體腫瘤轉移的機制尚未完全闡明,但是普遍認為經歷以下幾個過程:原發部位的上皮腫瘤細胞失去彼此間黏附能力,從原發部位脫離,通過間質,穿透基底膜屏障,進入血管或淋巴管,隨著循環到達合適部位,穿出血管或淋巴管在轉移灶克隆繁殖[19]。在這一過程中,上皮細胞通過Ⅲ型 EMT暫時轉化為具有游走能力的間葉細胞,通過浸潤鄰近脈管系統實現向外播散的第一步。轉移部位的腫瘤細胞在形態上和原發上皮腫瘤相似,這說明腫瘤細胞發生 EMT是暫時的,在合適的部位定植后通過MET重新轉化為上皮細胞形態,形成緊密連接和新的轉移灶。

4 EMT面臨的挑戰

EMT的觀念已逐漸為多數學者接受,相關的研究日益增多,但其中大部分的研究數據來自體外細胞培養,主要判定依據為形態觀察及上皮標志物的丟失和間葉標志物的上調,缺少可重復的敏感特異性指標。此外,體內試驗的結果證明EMT的研究尚處于起步階段,如在體內試驗研究器官纖維化時發現穿過基底膜的由上皮細胞轉化為間葉細胞的中間型細胞的存在;在動物實驗中及腫瘤患者循環血液中檢測到具有間葉表型的上皮性腫瘤細胞[5]。

另外,目前有些病理學專家對于EMT的概念及其在促進器官纖維化和腫瘤轉移中的作用持懷疑態度[20]。傳統意義上的化生是指一種分化成熟的細胞受慢性刺激的作用轉化為另一種分化成熟的細胞,通常只發生在同源上皮細胞之間或間葉細胞之間,一般認為上皮細胞和間葉細胞之間不能相互轉化,但是EMT是跨越同源細胞之間的轉化,即上皮細胞和間葉細胞之間可以相互轉化,與化生的概念截然不同。EMT的提出是對傳統化生概念的挑戰。

依據現有EMT的概念,以下幾個問題需要進一步研究解釋。首先是乳腺小葉癌:同乳腺導管癌不同,幾乎所有乳腺小葉癌不表達 E-鈣黏蛋白,是否乳腺小葉癌細胞發生了EMT?盡管乳腺小葉癌的特征是單層癌細胞呈“列兵樣”浸潤纖維間質,但是在形態上仍是可辨認的上皮細胞形態,并且表達上皮細胞的標志物。其次,EMT和癌肉瘤的發生機制引起了腫瘤學家的廣泛興趣。癌肉瘤是指在同一腫瘤組織中既有惡性的上皮細胞——癌,又有惡性梭形細胞成分——肉瘤。目前對于癌肉瘤的發生機制有以下幾種推測:上皮和間葉 2種成分同時惡性轉化之后的并存;腫瘤細胞起源于多能干細胞,同時具有向上皮和間葉分化的能力;惡性上皮性腫瘤誘導間質發生惡變。上皮性癌成分可能通過EMT轉化為肉瘤成分已成為新的假說。另外在許多腫瘤組織中鱗狀細胞癌和腺癌伴有梭形細胞分化,梭形細胞仍然表達上皮細胞的標志,是否這部分細胞由 EMT所致,仍然需要更多的實驗進一步證實。

5 展望

在過去幾十年的研究中,對于EMT的認識逐漸深入,將EMT分為3種類型,這3種類型的EMT可表達相似標志物,既有相似之處,又有一定區別。如轉化前的狀態分別為原始的上皮組織、成熟的上皮細胞和腫瘤上皮細胞,轉化后的狀態分別為間葉細胞、纖維細胞和轉移的腫瘤細胞。根據所處的微環境不同,將EMT明確分為3種類型更有助于發現每一種EMT獨特的發生機制。雖然對于EMT發生的分子生物學行為及機制研究的不斷深入,但是還有很多問題尚未解決:①轉化的中間型細胞的鑒定。②在Ⅲ型EMT中,到達轉移灶后,間葉型細胞發生MET的機制。③通過EMT轉化的間葉細胞和纖維細胞的區別。④何種微環境誘導EMT發生。

隨著影像學技術的不斷發展,如在動物模型體內示蹤標記細胞并觀測細胞遷移運動以及新的動物模型的應用,這些問題的答案在不久的將來將被揭曉,不僅對闡明EMT發生的調控機制及理解炎癥和纖維化及腫瘤浸潤的關系有重要意義,而且將為防治器官纖維化及腫瘤轉移的治療開辟新的途徑。如在動物實驗[21]中發現BMP7可以逆轉TGF-β誘導EMT作用,在小鼠腎臟纖維模型持續給予BMP7可阻止纖維化進展,促進腎臟功能恢復。研究腫瘤浸潤轉移時發生的EMT和在轉移器官定居的MET,針對某些特異性環節進行靶向性治療可為抑制腫瘤轉移提供新的治療策略。

[1]Kalluri R,Neilson EG.Epithelial-mesenchymal transition and its imp lications for fibrosis[J].JClin Invest,2003, 112(12):1 776

[2]Greenburg G,Hay ED.Epithelia suspended in collagen gels can lose polarity and express characteristics of migratingmesenchymal cells[J].JCell Biol,1982,95(1):333

[3]Kalluri R,Weinberg RA.The basics of epithelial-mesenchymal transition[J].JClin Invest,2009,119(6):1 420

[4]Zeisberg M,Neilson EG.Biomarkers for epithelial-mesenchymal transitions[J].J Clin Invest,2009,119(6): 1 429

[5]Kalluri R.EMT:when epithelial cells decide to become mesenchymal-like cells[J].JClin Invest,2009,119(6):1 417

[6]Thiery JP,Acloque H,Huang RY,et al.Epithelial-mesenchymal transitions in developmentand disease[J].Cell, 2009,139(5):871

[7]Kim K,Lu Z,Hay ED.Direct evidence for a role of betacatenin/LEF-1 signaling pathway in induction of EMT[J]. Cell Biol Int,2002,26(5):463

[8]Thiery JP.Epithelial-mesenchymal transitions in tumour p rogression[J].Nat Rev Cancer,2002,2(6):442

[9]Castanon I,Baylies MK.A Twist in fate:evolutionary comparison of Twist structure and function[J].Gene, 2002,287(1/2):11

[10]Yang J,ManiSA,Donaher JL,etal.Twist,amaster regulator of morphogenesis,plays an essential role in tumor metastasis[J].Cell,2004,117(7):927

[11]Venkov CD,Link AJ,Jennings JL,etal.A p roximal activator of transcription in epithelial-mesenchymal transition [J].JClin Invest,2007,117(2):482

[12]Potenta S,Zeisberg E,KalluriR.The role of endothelialto-mesenchymal transition in cancer progression[J].Br J Cancer,2008,99(9):1 375

[13]Zeisberg EM,Tarnavski O,Zeisberg M,et al.Endothelial-to-mesenchymal transition contributes to cardiac fibrosis [J].NatMed,2007,13(8):952

[14]Zavadil J,Haley J,KalluriR,etal.Epithelial-mesenchymal transition[J].Cancer Res,2008,68(23):9 574

[15]Gregory PA,Bert AG,Paterson EL,etal.ThemiR-200 family andm iR-205 regulateepithelial tomesenchymal transition by targeting ZEB1 and SIP1[J].Nat Cell Biol, 2008,10(5):593

[16]Ma L,Teruya-Feldstein J,Weinberg RA.Tumour invasion and metastasis initiated bym icroRNA-10b in breast cancer [J].Nature,2007,449(7 163):682

[17]Ma L,Reinhardt F,Pan E,et al.Therapeutic silencing of miR-10b inhibits metastasis in a mouse mammary tumor model[J].Nat Biotechnol,2010,28(4):341

[18]Mani SA,Guo W,Liao MJ,et al.The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells[J].Cell,2008,133(4):704

[19]Nguyen DX,Bos PD,MassaguéJ.Metastasis:from dissem ination to organ-specific colonization[J].Nat Rev Cancer,2009,9(4):274

[20]Tarin D,Thompson EW,Newgreen DF.The fallacy of epithelial mesenchymal transition in neoplasia[J].Cancer Res,2005,65(14):5 996

[21]Zeisberg M,Hanai J,Sugimoto H,et al.BMP-7 counteracts TGF-beta1-induced epithelial-to-mesenchymal transition and reverses chronic renal injury[J].Nat Med,2003,9 (7):964